Bilgisayar çiplerinde dikey mimari çağı başlıyor

Erdem Çınar

Film ve Dizi Editörü

Çiplerde dikey mimari çağı başlıyor; Yeni çalışma Moore Yasası'nın ömrünü uzatabilir — Yarı iletken endüstrisi son elli yılı aşkın süredir işlemcilerin performansını artırmak için büyük ölçüde aynı yönteme başvuruyor: **Transistörleri küçültmek ve bir çipin üzerine mümkün olduğunca fazla sayıda transistör yerleştirmek.** Bu yaklaşım, yıllardır bilgisayar teknolojilerindeki gelişimin temelini oluşturan **Moore Yasası**'nın da merkezinde yer alıyor. (Intel'in kurucularından Gordon Moore tarafından 1965 yılında ortaya atılan Moore Yasası, bir çip üzerine yerleştirilebilen transistör sayısının düzenli aralıklarla katlanarak artacağını öngörüyordu. Son yarım yüzyılda yarı iletken sektöründeki gelişmeler de büyük ölçüde bu öngörüyü doğrular nitelikte ilerledi.) Ancak transistörler artık birkaç nanometre ölçeğine kadar küçüldüğü için, sektör fiziksel sınırlarla karşı karşıya kalmaya başlamış durumda. Bu yüzden araştırmacılar son yıllarda işlemcileri daha güçlü hâle getirebilmek için sadece daha küçük transistörler üretmeye değil, çiplerin mimarisini değiştirmeye de odaklanıyorlar. Bu alanda öne çıkan en önemli yaklaşımlardan biri ise üç boyutlu (3D) çip tasarımları.

Geleneksel işlemcilerde transistörler tek bir düzlem üzerinde yan yana dizilirken, 3D çip tasarımlarında bu bileşenler katmanlar hâlinde üst üste yerleştiriliyor. Bu sayede çiplerin kapladığı alan büyümeden çok daha fazla transistör kullanılabiliyor. Ayrıca devre elemanları arasındaki fiziksel mesafenin azalması, veri aktarım hızını artırırken enerji tüketimini de düşürüyor. Özellikle yapay zekâ sistemleri ve büyük veri işleme uygulamalarının giderek daha fazla işlem gücüne ihtiyaç duyduğu günümüzde, bu yaklaşım yarı iletken sektörünün geleceği açısından kritik bir evrim olarak görülüyor.

Ancak bugüne kadar üç boyutlu çiplerin önündeki en büyük engellerden biri üretim süreci oldu. Çünkü modern silikon transistörlerin üretilebilmesi için yaklaşık 1000 dereceye ulaşan yüksek sıcaklıklar gerekiyor. Buna karşın çip içerisindeki metal bağlantılar bu sıcaklıklara dayanamadığı için, yeni katmanlar eklenirken alttaki devrelerin zarar görme riski ortaya çıkıyor. Bu nedenle araştırmacılar yıllardır yüksek performanslı silikon transistörleri üst üste yerleştirmenin pratik bir yolunu bulmaya çalışıyor.

Illinois Üniversitesi'nde görevli araştırmacılar, şimdi bu sorunu ortadan kaldıracak yeni bir yöntem geliştirmiş olabilir. Nature dergisinde yayımlanan araştırmaya göre ekip, geleneksel üretim tekniklerinden farklı olarak son derece ince silikon nanomembranlar kullanarak çok katmanlı çipler üretmeyi başardı. Araştırmacıların kullandığı silikon tabakalar 10 nanometreden bile ince. Bu ultra ince katmanlar, özel bir silikon yüzeyden ayrılarak daha önce üretilmiş devrelerin üzerine aktarılıyor. Üstelik bu işlem 200 derecenin altında gerçekleştirildiği için alttaki metal bağlantılar zarar görmüyor. Böylece uzun yıllardır üç boyutlu çip tasarımlarının önündeki en önemli teknik engellerden biri aşılmış oluyor.

Araştırmacılar Yeni Bir Transistör Mimarisi de Geliştirdi

Araştırma ekibi bununla da yetinmedi; geleneksel transistör üretiminde kullanılan ve yüksek sıcaklık gerektiren bazı süreçleri tamamen ortadan kaldıran "junctionless" adı verilen farklı bir transistör mimarisi geliştirdi. Bu tasarım sayesinde transistörlerin çalışabilmesi için sonradan yüksek sıcaklıkta işlem uygulanmasına gerek kalmıyor. Böylece üretim süreci boyunca sıcaklık sınırları korunurken, performanstan da taviz verilmemiş oluyor.

Araştırmacılar geliştirdikleri yöntemle üç farklı silikon katmanını üst üste yerleştirerek çalışan devreler üretmeyi başardı. Her katmanda 625 transistör bulunurken, üretim verimliliğinin yüzde 98 ila 100 seviyesine ulaştığı belirtiliyor. Daha da önemlisi, geliştirilen transistörlerin performansının geleneksel yüksek sıcaklıkta üretilen silikon transistörlerle rekabet edebildiği söyleniyor.

Araştırmanın başındaki isim olan Profesör Qing Cao'ya göre bu çalışma, Moore Yasası'nın ömrünü uzatabilecek önemli gelişmelerden biri olabilir. Çünkü sektör artık transistörleri küçültmekte zorlanırken, performans artışını dikey yönde büyüyen çip mimarileriyle sürdürebilir. Üstelik başta da belirttiğimiz gibi bu teknolojinin etkisi yalnızca daha fazla transistör yerleştirebilmekle sınırlı değil. Devre elemanlarının birbirine yaklaşması sayesinde veri aktarım gecikmeleri azalırken, enerji verimliliği de artıyor. Bu durum özellikle yapay zekâ, makine öğrenimi ve yüksek performanslı veri işleme sistemleri için önemli avantajlar sağlayabilir.

Laboratuvar ortamında elde edilen sonuçlar, teknolojinin ne kadar olgunlaştığını göstermesi açısından dikkat çekici. Tabii bu üretim yönteminin endüstriyel ölçekte kullanılan büyük silikon plakalar üzerinde de uygulanıp test edilmesi gerekiyor. Bu teknolojinin yaygın olarak kullanılıp kullanılamayacağı o testler sonrası belli olacak.Ancak araştırmacılar, geliştirdikleri yaklaşımın mevcut yarı iletken üretim süreçleriyle uyumlu olduğunu ve gelecekte daha fazla katmanın üst üste eklenebileceğini söylüyor. Eğer bu teknoloji ticari üretime taşınabilirse, bilgisayar işlemcilerindeki bir sonraki büyük sıçrama daha küçük transistörlerden değil, yukarı doğru yükselen üç boyutlu çiplerden gelebilir.

Kaynakça https://www.perplexity.ai/discover/tech/illinois-researchers-stack-3d-1tOe.qT0SIu5ov.BIPHo2g https://bioengineer.org/revolutionizing-chip-design-sequential-silicon-stacking-to-push-moores-law-further/